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Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Erfassen eines Verdrehspiels eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs sowie eine Vorrichtung hierfür.
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Wird ein (Kraft)Fahrzeug mittels einer Antriebseinheit, wie beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine oder einem Elektromotor bewegt, kann man bekanntermaßen zwischen zwei Betriebsphasen unterscheiden, einer sog. Schubphase und einer sog. Zugphase. Bei einer Schubphase wird die Antriebseinheit vom Antriebsstrang, der im Wesentlichen aus einem Zahnräderwechsel-Getriebe, der Kardanwelle, dem Differenzialgetriebe und den Rädern gebildet ist, geschoben. Während einer Zugphase gibt die Antriebseinheit hingegen Leistung an den Antriebsstrang des Fahrzeugs ab, es werden also der Antriebsstrang und damit auch die Räder des Kraftfahrzeugs durch das Drehmoment der Antriebseinheit angetrieben. Wie ebenfalls allgemein bekannt ist, kann der Übergang zwischen einer Schub- zu einer Zugphase, aber auch von einer Zug- zu einer Schubphase, einen für den sicheren und komfortablen Betrieb eines Kraftfahrzeugs kritischen Betriebszustand darstellen.
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Während eines Schubbetriebs, wenn also der Antriebsstrang Leistung an die Antriebseinheit abgibt, ist der Antriebsstrang in die Schubrichtung „vorgespannt” und „verdreht”. Der Antriebsstrang weist nämlich aufgrund der in ihm verwendeten Bauteile und der hierfür eingesetzten Materialien unvermeidlich eine zumindest gewisse Torsionselastizität auf. Daneben besitzen Gelenke und Zahnräder innerhalb des Antriebsstrangs ebenfalls unvermeidlich ein gewisses Spiel.
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Betätigt nun beispielsweise in einer Schubphase ein Fahrer ein Leistungsstellorgan (Gaspedal), um das Kraftfahrzeug zu beschleunigen, führt dies zu einem erhöhten Drehmoment der Antriebseinheit (genauer an der Ausgangswelle der Antriebseinheit) und zu einer Umkehrung des am Antriebsstrangs anliegenden Drehmoments. Das erhöhte Drehmoment ist mit einer erhöhten Drehzahl der Antriebseinheit verbunden. Aufgrund moderner Motorsteuerung und -elektronik können diese erhöhte Leistungsabgabe und somit auch die Erhöhung der Drehzahl der Antriebseinheit innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums erfolgen.
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Demgegenüber bleibt die Drehzahl des Antriebsstrangs über den hier betrachteten Zeitraum konstant oder ändert sich nur geringfügig. Aufgrund der sich somit ergebenden Drehzahldifferenz und der Umkehrung des am Antriebsstrang anliegenden Drehmoments führt die erhöhte Leistungsabgabe der Antriebseinheit während einer ersten Phase zu einer „Entspannung” des Antriebsstrangs, d. h. die aufgrund der vorherigen Schubphase vorhandene Verspannung des Antriebsstrangs gegen die Antriebseinheit wird abgebaut.
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Der Punkt, an dem die Vorspannung des Antriebsstrangs in Schubrichtung vollständig aufgehoben ist, wird oftmals als „Abdockpunkt” bezeichnet.
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Ist der Abdockpunkt erreicht und ist weiterhin eine erhöhtes Drehmoment bzw. eine erhöhte Drehzahl der Antriebseinheit im Vergleich zur Drehzahl des Antriebsstrangs gegeben, schließt sich eine zweite Phase an, in der das im Antriebsstrang vorhandene Spiel in Richtung der neuen Lastrichtung aufgezehrt wird. Diese Phase wird oftmals als „Freilaufphase” oder auch als „Freiflugphase” bezeichnet. Die Freilaufphase ist beendet, wenn das Spiel vollständig aufgezehrt ist, sich also beispielsweise ein antreibendes Zahnrad von einer ersten Zahnflanke (Schubbetrieb) zur einer zweiten Zahnflanke (Zugbetrieb) bewegt hat und dort wieder anliegt. Dieser Punkt wird oftmals als „Andockpunkt” bezeichnet.
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Die Zeitspanne zwischen Abdockpunkt und Andockpunkt ist gangabhängig, vom anliegenden Moment abhängig, drehzahlabhängig, abhängig von den zu bewegenden trägen Massen, vom Untergrund des Fahrzeugs, von der geodätischen Höhe und anderen Einflussgrößen. Insbesondere ist die Zeitspanne aber von der Größe des Spiels im Antriebsstrang abhängig. Dieses Spiel ist wiederum gangabhängig, unterscheidet sich auf Grund von Bauteilstreuungen von Fahrzeug zu Fahrzeug und vergrößert sich über die Lebensdauer des Fahrzeugs in Abhängigkeit der Anzahl der erfolgten Lastwechsel im Antriebsstrang.
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Ist am Andockpunkt eine deutliche Drehzahldifferenz zwischen der Antriebseinheit und dem Antriebsstrang vorhanden, kommt es zu einem so genannten Lastschlag. Das Risiko eines Lastschlags ist insbesondere dann gegeben, wenn aus einem Schubbetrieb heraus (beispielsweise ohne Betätigung eines Leistungsstellorgans) schnell Gas gegeben wird, das Kraftfahrzeug also stark beschleunigt werden soll. Für die Stärke des Lastschlags sind neben der Größe der Änderung des Drehmoments der Antriebseinheit (Beschleunigungswunsch durch einen Fahrer), die gewählte Gangstufe sowie die Drehzahl der Antriebseinheit von Bedeutung. Hierbei gelten die Faustregeln, dass ein Lastschlag umso größer ausfallen kann je niedriger die Gangstufe ist, und dass vor allem mittlere Drehzahlen für einen Lastschlag kritisch sein können.
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Durch einen Lastschlag kann der gesamte Antriebsstrang zu Schwingungen angeregt werden, welche sich in einem Ruckeln des Kraftfahrzeugs bemerkbar machen, wodurch wiederum der Fahrkomfort und die Fahrbarkeit eines Kraftfahrzeugs erheblich beeinträchtigt werden.
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Vor diesem Hintergrund sind Vorrichtungen und Verfahren zur Vermeidung oder Minimierung des Lastschlags entwickelt worden. Erste Lösungsansätze sahen eine zeitliche Verzögerung der Umsetzung der von einem Fahrer gewünschten Einstellung der Leistung (Sollmoment) vor (siehe z. B.
DE 43 21 333 A1 ), oder eine Kombination aus der Vorgabe eines kleinen, sprunghaften Anteils des Sollmoments und einer anschließenden zeitlichen Verzögerung, bis der volle Wert des Sollmoments vorgegeben wird (siehe z. B.
DE 101 19 724 A1 ). Jüngere Entwicklungen sehen vor, dass bei einem Übergang von einem Schub- auf einem Zugbetrieb der Drehzahlanstieg der Antriebseinheit in der Freilaufphase zunächst zugelassen und dann derart verzögert oder reduziert, dass zum Zeitpunkt des Andockpunkts zwischen der Drehzahl der Antriebseinheit und der Drehzahl des Antriebsstrangs eine möglichst kleine Differenz (idealweise von Null) gegeben ist (siehe z. B.
DE 102 06 199 A1 und
DE 10 2006 039 678 A1 ).
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Diese Verfahren funktionieren umso besser, je genauer der Zeitpunkt bekannt ist, zu dem das Verdrehspiel des Antriebstrangs „aufgebraucht” ist, bzw. umso genauer das Verdrehspiel des Antriebsstrangs bekannt ist. Unter Verdrehspiel ist in der vorliegenden Anmeldung entweder die Summe aus dem Verspannungswinkel des Antriebsstrangs im Schubbetrieb plus des/der Spiels/Spiele (ebenfalls in Grad angegeben) im Antriebsstrang bis zum Andockpunkt, oder aber auch die Summe aus dem Verspannungswinkel des Antriebsstrangs im Schubbetrieb, des/der Spiels/Spiele im Antriebsstrang (ebenfalls in Grad angegeben) bis zum Andockpunkt sowie dem Verspannungswinkel des Antriebsstrangs im Zugbetrieb. Diese beiden Definitionen können je nach Verwendungszweck der Ergebnisse der erfindungsgemäßen Verfahren alternativ angewandt werden.
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Bei den Lösungen nach dem Stand der Technik wird entweder die Regelung des Drehmoments der Antriebseinheit einfach so lange durchgeführt, bis ein Kraftschluss erkannt wird, d. h. bis in Folge einer Motordrehzahländerung eine Radbeschleunigung messbar ist (siehe z. B.
DE 31 21 333 A1 ), oder es wird im laufenden Betrieb ein Adaptionsverfahren durchgeführt (siehe z. B.
DE 10 2006 039 678 A1 ). In beiden Fällen wird in Kauf genommen, dass trotz der eingreifenden Verfahren Lastschläge auftreten können.
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Die
DE 10 2009 051 474 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen eines Endantriebsspiels in einem Fahrzeugantriebsstrang, der ein Getriebe umfasst, wobei bestimmt wird, ob der Antriebsstrang durch ein Endantriebsspiel hindurchgeht; bestimmt wird, wann ein gegenwärtiges Endantriebsspiel ausgeglichen ist, wenn der Antriebsstrang durch das Endantriebsspiel hindurchgeht; bestimmt wird, wann sich ein geschätzter Spielzustand von einem neutralen. Zustand zu einem positiven oder einem negativen Zustand ändert; und ein Gesamt-Spielschätzwert berechnet wird, wenn das gegenwärtige Endantriebsspiel ausgeglichen ist und sich der geschätzte Spielzustand von einem neutralen Zustand zu einem positiven oder einem negativen Zustand ändert. Diese Offenlegungsschrift beschreibt auch eine entsprechende Steuervorrichtung.
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Die
DE 42 24 270 A1 hat eine Synchronisiereinrichtung für Stufengetriebe zum Gegenstand, die eine Schaltmuffe, einen Synchronisierring sowie einen Kupplungskörper an einem Schaltrad umfasst. Um zu verhindern, dass nach dem Erreichen des Synchronlaufes zwischen Schaltmuffe und Kupplungskörper der Reibschluss zwischen Synchronisierring und Kupplungskörper verloren geht, mit der Folge, dass die Zähne der Schaltmuffe auf die Zähne des Kupplungskörpers aufschlagen, ist ein Fangring vorgesehen. Der Fangring befindet sich in Schaltrichtung vor den Zähnen der Schaltmuffe. Der Fangring ist auf beiden axialen Seiten mit Sperrflächen versehen. Der Fangring überbrückt den Zwischenraum zwischen den Zähnen der Schaltmuffe und den Zähnen des Kupplungskörpers, wenn die Sperrflächen an der Schaltmuffe die Sperrflächen am Synchronisierring passiert haben.
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Und aus der
DE 10 2010 013 787 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstrangs in einem Kraftfahrzeug mit einem von einer Brennkraftmaschine über eine Kurbelwelle angetriebenen Zweimassenschwungrad und zumindest einer mit einem Ausgangsteil des Zweimassenschwungrads koppelbaren Getriebeeingangswelle eines Getriebes bekannt, wobei zwischen Eingangsteil und Ausgangsteil eine hysteresebehaftete Dämpfungseinrichtung wirksam ist, die ein von der Brennkraftmaschine abgegebenes Motormoment und ein auf die zumindest eine Getriebeeingangswelle übertragenes Lastmoment durch das Hystereseverhalten beeinflusst. Um die Störungen durch das Zweimassenschwungrad zumindest in der Ermittlung des Lastmoments zu eliminieren, wird ein Zustandsmodell beschrieben, bei dem Drehzahlen des Eingangsteils und des Ausgangsteils laufend ermittelt werden und abhängig von einem aus den Drehzahlen ermittelten Differenzwinkel von Eingangsteil und Ausgangsteil und Kennzahlen der Dämpfungseinrichtung ein für die Beeinflussung zumindest des Lastmoments charakteristisches Störmoment in Echtzeit ermittelt wird.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen des Verdrehspiels eines Antriebsstrangs zur Verfügung zu stellen. Die Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens können beispielsweise in einem Motorsteuergerät abgespeichert werden und so bei Verfahren verwendet werden, mit denen das Anbindeverhalten beim Lastwechsel verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Verfahren gemäß Anspruch 1 und 2 sowie die Vorrichtung gemäß Anspruch 12. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Erfassen eines Verdrehspiels eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs vorgeschlagen, bei dem
- • vor einem Übergang von einem Schub- in einen Zugbetrieb des Fahrzeugs zeitlich hoch aufgelöst aus einer erfassten Motordrehzahl und einer erfassten Referenzdrehzahl eine Drehzahldifferenz zwischen Motordrehzahl und Referenzdrehzahl ermittelt wird,
- • ab dem Zeitpunkt eines Übergangs von einem Schub- in einen Zugbetrieb, wobei der Übergang von einem Schub- in einen Zugbetrieb erfolgt, wenn nach einem Schubbetrieb bei einer Motorlast, die ungefähr bei Null liegt, eine Vergrößerung der Drehzahldifferenz zwischen der Drehzahl der Antriebseinheit und einer Referenzdrehzahl ermittelt wird, wobei die Referenzdrehzahl ermittelt wird durch eine Multiplikation der Raddrehzahl mit einer Gesamtübersetzung, wobei die Gesamtübersetzung gebildet ist aus einer Multiplikation der Übersetzung des Zahnräderwechsel-Getriebes und der Übersetzung des Differenzialgetriebes, unter Beibehaltung der gleichen Fahrstufe zeitlich hoch aufgelöst die aus der erfassten Motordrehzahl und der erfassten Referenzdrehzahl ermittele Drehzahldifferenz so lange über die Zeit integriert wird, bis trotz weiterhin positivem Drehmoment am Antriebsstrang entweder ein Rückgang der Motordrehzahl festgestellt wird oder die Differenz zwischen Motordrehzahl und Referenzdrehzahl im Wesentlichen wieder den Wert vor dem Zeitpunkt des Übergangs von Schubbetrieb zum Zugbetrieb angenommen hat, und
- • aus dem Integral der Drehzahldifferenz das Verdrehspiel des Antriebsstrangs berechnet wird.
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Erfindungsgemäß wird ebenfalls ein Verfahren zum Erfassen eines Verdrehspiels eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs vorgeschlagen, bei dem
- • vor einem Übergang von einem Schub- in einen Zugbetrieb des Fahrzeugs, wobei der Übergang von einem Schub- in einen Zugbetrieb erfolgt, wenn nach einem Schubbetrieb bei einer Motorlast, die ungefähr bei Null liegt, eine Vergrößerung der Drehzahldifferenz zwischen der Drehzahl der Antriebseinheit und einer Referenzdrehzahl ermittelt wird, wobei die Referenzdrehzahl ermittelt wird durch eine Multiplikation der Raddrehzahl mit einer Gesamtübersetzung, wobei die Gesamtübersetzung gebildet ist aus einer Multiplikation der Übersetzung des Zahnräderwechsel-Getriebes und der Übersetzung des Differenzialgetriebes, zeitlich hoch aufgelöst aus einer erfassten Motordrehzahl und einer erfassten Referenzdrehzahl eine Drehzahldifferenz zwischen Motordrehzahl und Referenzdrehzahl ermittelt wird,
- • über eine Zeitdauer, die mit dem Zeitpunkt eines Übergangs von einem Schub- in einen Zugbetrieb beginnt und an dem Zeitpunkt endet, an dem trotz weiterhin positivem Drehmoment am Antriebsstrang entweder ein Rückgang der Motordrehzahl festgestellt wird oder die Differenz zwischen Motordrehzahl und Referenzdrehzahl im Wesentlichen wieder den Wert vor dem Zeitpunkt des Übergangs vom Schubbetrieb zum Zugbetrieb angenommen hat, unter Beibehaltung der gleichen Fahrstufe zeitlich hoch aufgelöst die Drehzahl des Motors in einem ersten Steuergerät und die Referenzdrehzahl in einem zweiten Steuergerät erfasst werden,
- • die Drehzahlen des Motors und die Referenzdrehzahlen über die Zeitdauer integriert werden, und
- • aus der Differenz der Integrale das Verdrehspiel des Antriebsstrangs berechnet wird.
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Durch die erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich sehr genau das gesamte Verdrehspiel eines Antriebstrangs eines Fahrzeugs bei einem Übergang von einem Schub- in einen Zugbetrieb ermitteln. Die ermittelten Ergebnisse können dann beispielsweise in einer geeigneten Steuervorrichtung abgespeichert werden und stehen so für Verfahren zur Verfügung, mit denen das Anbindeverhalten beim Lastwechsel verbessert wird. Aufgrund der sehr genauen Kenntnis über die Größe des Verdrehspiels im Antriebsstrang kann das Anbindeverhalten beim Lastwechsel so gesteuert werden, dass kein oder zumindest kein nennenswerter Lastwechsel mehr auftritt.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird bei den erfindungsgemäßen Verfahren
- • zusätzlich zeitlich hoch aufgelöst die Drehzahl eines Ausgangs eines Zahnräderwechsel-Getriebes und/oder eines Differenzialgetriebes erfasst und
- • auf Grundlage der erfassten Drehzahlen und/oder Drehzahldifferenzen auch das/die Teildrehspiel(e) des Zahnräderwechsel-Getriebes und/oder des Differenzialgetriebes berechnet.
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Durch diese Weiterbildung der Erfindung können auch Teildrehspiele innerhalb des Antriebsstrangs ermittelt werden, wodurch eine noch genauere Steuerung durch Verfahren ermöglicht wird, mit denen das Anbindeverhalten beim Lastwechsel verbessert wird.
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Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beträgt bei den erfindungsgemäßen Verfahren bei den zeitlich hoch aufgelösten Erfassungen der zeitliche Abstand zwischen zwei Erfassungen im Bereich von 0,1 ms bis 10 ms, wobei jeder geeignete Zeitabstand gewählt werden kann (beispielsweise 0,1 ms, 0,2 ms, 0,3, ms, 0,4 ms, 0,5 ms, 0,6 ms, 0,7 ms, 0,8 ms, 0,9 ms, 1 ms, 2 ms, 3 ms, 4 ms, 5 ms, 6 ms, 7 ms, 8 ms, 9 ms, 10 ms).
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird/werden bei den erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich eine Motortemperatur, eine Temperatur des Zahnräderwechsel-Getriebes, eine Temperatur eines Radlagers, eine Temperatur eines Reifens, und/oder der Radwinkel erfasst.
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Hierdurch ergibt sich die vorteilhafte Möglichkeit, auch Temperaturabhängigkeiten des Verdrehspiels und/oder des/der Teildrehspiels/Teildrehspiele und/oder dessen/deren Abhängigkeit von einem Radwinkel erfassen zu können.
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Ebenso ist es von Vorteil, dass bei den erfindungsgemäßen Verfahren das Verdrehspiel und/oder die Teildrehspiel(e) im normalen Fahrbetrieb automatisch ermittelt, sowie dass das gemessene Verdrehspiel und/oder das/die gemessene(n) Teildrehspiel(e) gangabhängig, in Abhängigkeit von der Motortemperatur, der Temperatur des Zahnräderwechsel-Getriebes, der Temperatur eines Radlagers, der Temperatur eines Reifens, und/oder des Radwinkels in einem Steuergerät abgespeichert werden kann/können. Die Daten können hierbei beispielsweise in einem Kennfeld der Steuereinrichtung hinterlegt werden.
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Weiter ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass bei der Ermittlung der Referenzdrehzahl weiter ein adaptiver Korrekturfaktor einbezogen wird, dessen Größe ermittelt wird durch einen Vergleich zwischen Motordrehzahl und Drehzahl eines Rades bei Konstantfahrt ohne Lenkeinschlag und bei geschlossener Kupplung, derart, dass hierbei die Motordrehzahl gleich dem Produkt aus Drehzahl des wenigstens einen Rades x Gesamtübersetzung x adaptiver Korrekturfaktor ist.
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Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zum Erfassen eines Verdrehspiels eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs, umfassend eine Einrichtung zum Erfassen einer Motordrehzahl, eine Einrichtung zum Erfassen einer Drehzahl eines Rades, eine Einrichtung zum Berechnen einer Referenzdrehzahl, eine Einrichtung zum Berechnen einer Drehzahldifferenz zwischen der Motordrehzahl und der Referenzdrehzahl, eine Einrichtung zum Integrieren der Drehzahldifferenz über die Zeit oder zum Integrieren der Drehzahlen von Motor und des Rades über die Zeit, und eine Einrichtung zum Berechnen des Verdrehspiels des Antriebsstrangs aus dem Integral der Drehzahldifferenz oder der Differenz der Integrale der Drehzahlen von Motor und des Rades. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist weiter dazu eingerichtet zumindest eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verfahren durchführen zu können.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
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Die Figur zeigt im Wesentlichen den Verlauf der Drehzahl eines Motors, der Referenzdrehzahl, der Drehzahl eines Zahnräderwechsel-Getriebes sowie der Beschleunigung eines Fahrzeugs in einem Zeitraum, der den Bereich von einem Schubbetrieb, den Übergang von einem Schub- in einen Zugbetrieb und den Zugbetrieb abdeckt.
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Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
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In der Figur ist ein beispielhafter Verlauf der Drehzahl 1 eines Motors, der Referenzdrehzahl 2, der Drehzahl 3 eines Zahnräderwechsel-Getriebes sowie der Beschleunigung 4 eines Fahrzeugs bei einem Übergang von einem Schub- in einen Zugbetrieb in Abhängigkeit von einer Stellung 5 eines Fahrpedals dargestellt.
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Ein Schubbetrieb ist dadurch charakterisiert, dass der Motor (Antriebseinheit, Antriebsmaschine) vom Antriebsstrang geschleppt wird und damit ein Drehmoment aufnimmt. Schubbetrieb stellt sich beispielsweise ein, wenn der Fahrer während der Fahrt das Fahrpedal (Leistungsstellorgan) nicht betätigt, wie es bei dem in der Figur gezeigten Beispiel bis etwa zum mit der Ziffer 6 gekennzeichneten Zeitpunkt der Fall ist.
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In der vorliegenden Anmeldung ist unter dem Begriff ”Antriebsstrang” insbesondere das Getriebe, die Kardanwelle, das Differenzialgetriebe und die Radnaben, nicht jedoch der Motor (Antriebseinheit, Antriebsmaschine) selbst zu verstehen.
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Wie oben bereits erläutert, ist während eines Schubbetriebs der Antriebsstrang elastisch in Lastrichtung gegen die Antriebseinheit vorgespannt. Dies führt, wie in der Figur für den Zeitraum, der mit dem Anfang der gezeigten Erfassung beginnt und mit der mit der Ziffer 7 gekennzeichneten senkrechten Linie endet, zu einem Verhältnis zwischen der Motordrehzahl 1 und der Referenzdrehzahl 2, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Differenz zwischen Motordrehzahl und Referenzdrehzahl sehr klein oder im Wesentlichen Null ist.
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Erfindungsgemäß wird in einem ersten Schritt vor einem Übergang von einem Schub- in einen Zugbetrieb des Fahrzeugs zeitlich hoch aufgelöst aus einer erfassten Motordrehzahl 1 und einer erfassten Referenzdrehzahl 2 eine Drehzahldifferenz zwischen Motordrehzahl 1 und Referenzdrehzahl 2 ermittelt.
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Die Referenzdrehzahl 2 wird gebildet durch Multiplikation von der tatsächlich gemessenen Raddrehzahl mit der Übersetzung des Zahnräderwechselgetriebes und der Übersetzung des Differenzialgetriebes (Gesamtübersetzung). Durch die Referenzdrehzahl 2 werden die Motordrehzahl 1 und die Raddrehzahl auf einen definierten Bezugspunkt transformiert, wodurch deren Vergleichbarkeit ermöglicht wird. Hierbei ist die Verwendung der Raddrehzahl für die Bildung der Referenzdrehzahl optimal, da diese im Kraftfluss weit vom Antriebsaggregat entfernt ist und damit viele Spielbestimmenden Komponenten beinhaltet (z. B. Zahnräderwechselgetriebe, Kegelräder, Differenzialgetriebe, Gelenkwellen, Steckachsen, etc.).
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Da aufgrund des Einflusses von Rädern mit unterschiedlichem dynamischen Abrollumfang (beispielsweise aufgrund von Reifenwechsel, geändertem Verhältnis von Außen- und Innenluftdruck beim Reifen) sich das Verhältnis von Raddrehzahl in Bezug zur Motordrehzahl leicht verändern kann, ist es oftmals von Vorteil, wenn zur Berechnung der Referenzdrehzahl nicht nur die Übersetzung des Zahnräderwechselgetriebes und die Übersetzung des Differenzialgetriebes verwendet wird, sondern weiter auch ein adaptiver Korrekturfaktor einbezogen wird. Dessen Größe kann ermittelt werden durch einen Vergleich zwischen Motordrehzahl und Drehzahl eines Rades bei Konstantfahrt (beispielsweise konstantem Zugbetrieb) ohne Lenkeinschlag und bei geschlossener Kupplung, wobei die Größe des adaptiven Korrekturfaktors derart gewählt wird, dass die Motordrehzahl gleich dem Produkt aus Drehzahl des wenigstens einen Rades x Gesamtübersetzung x adaptiver Korrekturfaktor ist.
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Zur Erkennung eines Schubbetriebs kann beispielsweise ein sogenanntes Nullmomentenkennfeld verwendet werden, das in einem Kennfeldelement abgelegt ist. Dieses Nullmomentenkennfeld ordnet jeder Kombination aus Motortemperatur und Motordrehzahl eine Stellung der Drosselklappe zu, die notwendig ist, um gerade die inneren Verluste von Motor und Antriebsstrang zu überwinden. Unterschreitet die aktuelle Drosselklappenstellung den aus dem Nullmomentenkennfeld für den aktuellen Betriebspunkt vorgegebenen Wert, so kann davon ausgegangen werden, dass sich das Fahrzeug im Schubbetrieb befindet.
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Selbstverständlich kann zusätzlich oder alternativ ein Schubbetrieb auch auf Grundlage von weiteren Signalen, Einflussfaktoren oder Parametern festgestellt werden, beispielsweise aus der Fahrpedalstellung in Abhängigkeit von einer gemessenen Raddrehzahl bei geschlossener Kupplung.
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Wenn ein Fahrer aus einem Schubbetrieb heraus das Fahrpedal betätigt, wie dies in der Figur mit der Veränderung der Fahrpedalstellung zwischen den Ziffern 6 und 8 dargestellt ist, signalisiert er der Motorsteuerung, dass er einen Übergang vom Schubbetrieb in den Zugbetrieb wünscht, d. h. er wünscht die Abgabe eines positiven Drehmoments des Motors an den Antriebsstrang. Durch die Motorsteuerung wird hierfür bei einer Brennkraftmaschine eine erhöhte Menge Kraftstoff und Luft in den Brennraum gebracht, wofür eine gewisse Zeitdauer erforderlich ist. In der Figur entspricht dieser Zeitraum dem mit den senkrechten Linien 8 und 7 gekennzeichneten Bereich.
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Der Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen besitzt üblicherweise eine gewisse Elastizität, weil beispielsweise die Gelenkwellen und die Kardanwelle eine mehr oder weniger große Torsionselastizität aufweisen. Auch ist oftmals ein sogenanntes Zwei-Massen-Schwungrad vorhanden, deren Primär- und Sekundärmasse drehelastisch miteinander antriebsverbunden sind. Auch die Kupplung eines Kraftfahrzeugs ist in der Regel mit drehelastischen Übertragungselementen versehen. Aufgrund dieser Torsionselastizität des Antriebsstrangs ist der Antriebsstrang im Schubbetrieb aufgrund des an im wirkenden Schubelements gegen den Motor (die Antriebseinheit, Antriebsmaschine) verspannt.
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Steht ab dem durch die Ziffer 7 gekennzeichneten Zeitpunkt ein positives Drehmoment des Motors zur Verfügung (d. h. ab bzw. bei einer Motorlast, die ungefähr bei Null liegt), erfolgt ein Übergang vom Schub- in den Zugbetrieb. Hierzu wird in einer ersten Phase die in der Schubphase vorhandene Vorspannung bzw. Verdrehung des Antriebsstrangs abgebaut, der Antriebsstrang also entspannt.
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Ab dem durch die Ziffer 7 gekennzeichneten Zeitpunkt eines Übergangs von Schub- auf Zugbetrieb erhöht sich die Drehzahl des Motors gegenüber der Referenzdrehzahl. Diese Erhöhung ist in einer ersten Phase bedingt durch die Entspannung des Antriebsstrangs.
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Das Betätigen eines Fahrpedals aus einem Schubbetrieb heraus kann beispielsweise als Signal zum Start der Erfassung der erfindungsgemäß genannten Drehzahlen verwendet werden. Wenn dann ab dem durch die Ziffer 7 gekennzeichneten Zeitpunkt sich die Drehzahl des Motors gegenüber der Referenzdrehzahl erhöht, kann dieser Zeitpunkt als Startpunkt für den Übergang, von einem Schub- in einen Zugbetrieb verwendet werden.
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Somit kann durch einen Vergleich der Motordrehzahl mit der Referenzdrehzahl – gegebenenfalls unter Auswertung von weiteren Signalen – sicher der Übergang von einem Zug- in einen Schubbetrieb erkannt werden, da hierbei stets die Motordrehzahl relativ zur Raddrehzahl bzw. Referenzdrehzahl ansteigt.
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Der Punkt, in dem die Verspannung in Schubrichtung vollständig aufgehoben, die Verdrehung des Antriebsstrangs also vollständig zurückgedreht ist, wird oftmals als Abdockpunkt bezeichnet. Liegt weiterhin ein positives Drehmoment des Motors (Antriebsmaschine) an, so wird nach dem Abdockpunkt das Spiel im Antriebsstrang, das sich aus der Summe der Einzelspiele der einzelnen Komponenten ergibt, in einer sog. Freilaufphase aufgezehrt.
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In dieser Freilaufphase sind der Motor (Antriebsmaschine, Antriebseinheit) und der Antriebsstrang voneinander entkoppelt, üben also keine Drehmomente aufeinander aus. Daher kann, sofern weiterhin ein positives Drehmoment des Motors anliegt, die Drehzahl des Motors so lange weiter ungehindert ansteigen, bis das Spiel des Antriebstrangs, das sich aus der Summe der Teilspiele der Elemente des Antriebsstrangs ergibt, aufgezehrt ist. Ist das Spiel des Antriebsstrangs aufgebraucht, liegen beispielsweise antreibende Zahnräder wieder an Zahnflanken abtreibender Bauteile an. Dieser Punkt wird oftmals als Andockpunkt bezeichnet.
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Der Zeitraum ab dem Übergang von Zug- in den Schubbetrieb bis zum Andockpunkt beträgt beispielsweise bei einem realen Fahrbetrieb bei vergleichsweise niedriger Last im 2. Gang zwischen 0,1 und 0,2 Sekunden, kann je nach Gang und Last aber auch bis zu etwa 1 Sekunde betragen. Innerhalb dieses betrachteten Zeitraums ändert sich die Referenzdrehzahl oftmals nicht oder nur vergleichsweise wenig. Daher ergibt sich am Andockpunkt eine im Vergleich zum Startzeitpunkt des Übergangs von Zug- in den Schubbetrieb erhöhte Drehzahldifferenz zwischen der Motordrehzahl und der Referenzdrehzahl.
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Dies hat zur Folge, dass bei einem weiterhin positiven Drehmoment des Motors ab dem Andockpunkt der Antriebsstrang in die Zugrichtung auf- bzw. verspannt wird. Dies wiederum hat zur Folge, dass ab dem Andockpunkt die Drehzahl des Motors spürbar sinkt. Dieser Zeitpunkt ist in der Figur mit der Ziffer 9 kenntlich gemacht.
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Durch das Verspannen des Antriebsstrangs ab dem Andockpunkt in Zugrichtung wirkt auch auf die angetriebenen Räder in zunehmendem Maße ein positives Drehmoment, was eine Beschleunigung des Fahrzeugs zur Folge hat. Dieser Vorgang ist in der Figur durch die Zahl 11 kenntlich gemacht. Überschreitet diese Beschleunigung einen vorgebbaren Schwellwert, wird sie als „Lastschlag” bezeichnet. Ein solcher Lastschlag ist für einen Fahrer in unangenehmer Weise spür- und hörbar. Auch kann der Lastschlag zu hochfrequenten Schwingungen führen.
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Aufgrund der ab dem Andockpunkt 9 durch das zunehmende Verspannen des Antriebsstrangs in Zugrichtung bewirkten Verringerung der Motordrehzahl 1 verringert sich auch die Differenz zwischen Motordrehzahl und Referenzdrehzahl 2 derart, dass sich letztendlich annähernd wieder die Differenz einstellt, die vor dem Übergang von einem Schub- in einen Zugbetrieb vorhanden war. Dieser Punkt ist in der Figur mit der Zahl 10 kenntlich gemacht.
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Erfindungsgemäß kann die ermittele Drehzahldifferenz so lange über die Zeit integriert wird, bis trotz weiterhin positivem Drehmoment am Antriebsstrang entweder ein Rückgang der Motordrehzahl festgestellt wird oder die Differenz zwischen Motordrehzahl und Referenzdrehzahl im Wesentlichen wieder den Wert vor dem Zeitpunkt des Übergangs von Schubbetrieb zum Zugbetrieb angenommen hat.
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Hierdurch wird es ermöglicht, entweder die Drehzahlverläufe ab dem Übergang 7 vom Schub- in den Zugbetrieb bis zum sog. Andockzeitpunkt 9 zu betrachten oder den Zustand ab dem Übergang 7 vom Schub- in den Zugbetrieb bis zum Anliegen des vollen Drehmoments des Motors an den angetriebenen Rädern, also bis zu dem Moment 10, bis die gesamte Torsionselastizität des Antriebsstrangs in Zugrichtung „aufgebraucht” ist. Diese unterschiedlichen Zeiträume können für verschiedene Verfahren zur Verhinderung oder Linderung eines Lastschlags von Bedeutung sein.
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Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 1 wird die Drehzahldifferenz für die Dauer des Anlagewechsels integriert, wobei auf Grundlage des Integrals das Verdrehspiel in Grad ermittelt wird.
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Hierbei spielt eine Verzögerung bei der Signalübertragung durch den in Fahrzeugen verwendeten digitalen Datenbus (z. B. CAN-Busübertragung) und/oder eine Ungenauigkeit bei der ermittelten Raddrehzahl keine starke Rolle. Die Raddrehzahl kann während der Zeitdauer des Spielausgleichs (die, wie oben erwähnt oftmals nicht länger als 0,1 s bis 0,2 s in Anspruch nimmt) nämlich als konstant oder als eine sich relativ langsam ändernde Größe angenommen werden. Wenn sich beispielsweise das Fahrzeug vor einem Übergang von einem Schub- in einen Zugbetrieb mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt hat, kann angenommen werden, dass sich die Raddrehzahl über die Zeitdauer des Spielausgleichs nicht ändert. Und wenn sich die Geschwindigkeit des Fahrzeugs beispielsweise vor dem Übergang vom Schub- in den Zugbetrieb kontinuierlich verringert hat, kann davon ausgegangen werden, dass die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und damit die Raddrehzahl über die Zeitdauer des Spielausgleichs sich in dem gleichen Maß pro Zeiteinheit verringern wird, wie dies vor dem Übergang vom Schub- in den Zugbetrieb der Fall war.
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Wichtig ist die Erfassung der Raddrehzahl in diesem Fall vor allem, um den Beginn des Übergangs von einem Schub- in einen Zugbetrieb möglichst genau erkennen zu können.
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Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 2 wird über eine Zeitdauer, die mit dem Zeitpunkt eines Übergangs von einem Schub- in einen Zugbetrieb beginnt und an dem Zeitpunkt endet, an dem trotz weiterhin positivem Drehmoment am Antriebsstrang entweder ein Rückgang der Motordrehzahl festgestellt wird oder die Differenz zwischen Motordrehzahl und Referenzdrehzahl wieder den Wert vor dem Zeitpunkt des Übergangs vom Schubbetrieb zum Zugbetrieb angenommen hat, unter Beibehaltung der gleichen Fahrstufe zeitlich hoch aufgelöst die Drehzahl des Motors in einem ersten Steuergerät und die Referenzdrehzahl bzw. die Raddrehzahl in einem zweiten Steuergerät erfasst.
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Hierbei kann beispielsweise die Signalerfassung durch ein Motorsteuergerät (für Motordrehzahl) und ein Bremsensteuergerät (für Raddrehzahl bzw. Referenzdrehzahl) erfolgen. Die Zeitdauer für die Drehzahlerfassung sollte dabei zur Erzielung einer zumindest ausreichenden Messgenauigkeit für beide Steuergeräte möglichst exakt gleich lang sein.
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Wenn beispielsweise durch ein Motorsteuergerät ein Übergang von einem Schub- in einen Zugbetrieb erkannt wird, wird durch dieses ein Messtrigger gesetzt. Im Motorsteuergerät und im Bremsensteuergerät werden daraufhin Motor- bzw. Raddrehzahl separat und zeitlich hochaufgelöst erfasst und integriert. Wenn durch das Motorsteuergerät erkannt wird, dass der Anlagewechsel durchgeführt und das Spiel ausgeglichen ist, wird durch das Motorsteuergerät auch die exakte Messdauer für das Motor- und das Bremsensteuergerät festgelegt.
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Bei diesem Verfahren kann daher eine zeitliche Verzögerung bei der Signalübertragung durch den in Fahrzeugen verwendeten digitalen Datenbus eine nachteilige Auswirkung auf die Genauigkeit des Ergebnisses verursachen. Bei dem derzeit häufig verwendeten CAN-Bussystem beträgt beispielsweise der sog. CAN-Verzug etwa 30 ms.
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Um die hiermit verbundenen Nachteile zu vermeiden kann daher entweder vorgesehen sein, die Taktung des CAN-Bussystems für das erfindungsgemäße Verfahren zu erhöhen, wodurch auch der sog. CAN-Verzug verkleinert wird, idealweise bis herab zu etwa 5 ms. Auch kann vorgesehen sein, ein alternatives Datenbussystem zu verwenden, wie beispielsweise FlexRay, durch das eine höherer Datenübertragungsrate, Echtzeit-Fähigkeit und beispielsweise auch eine dezentrale Uhrensynchronisation zur Verfügung gestellt wird. Auch ist es denkbar, für das erfindungsgemäße Verfahren eine eigenständige Auslesevorrichtung vorzusehen, durch die zur gleichen Zeit bzw. über gleiche Zeiträume die Signale eines Motorsteuergeräts und eines Bremsensteuergeräts ausgelesen werden.
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Wie bekannt ist, müssen für Messungen jeweils bestimmte Randbedingungen eingehalten werden, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse von verschiedenen Messungen zu gewährleisten. So ist es bei den erfindungsgemäßen Verfahren von Vorteil, wenn die Motordrehzahl und der Raddrehzahl bei eingelegtem Gang, geschlossener Kupplung, ohne Klopfeingriff, bei einer im Wesentlichen konstanten Verzögerung oder Beschleunigung des Fahrzeugs, bei Anliegen eines im Wesentlichen konstantes Schub- oder Zugmoments, und bei Beibehaltung der gleichen Fahrstufe erfasst werden. Dabei kann beispielsweise ein Übergang von Schub- auf Zugbetrieb bei gleicher Fahrstufe gewählt werden.
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Wie aus einem Vergleich der Verläufe der Drehzahlen 1, 3 von Motor und Zahnräder-Wechselgetriebe ersichtlich ist, kann es vorkommen, dass die jeweiligen Drehzahlen nicht synchron zueinander verlaufen (siehe hier insbesondere den Zeitraum nach dem Übergang vom Schub- in den Zugbetrieb). Durch Erfassung und Betrachtung von weiteren Abtriebsdrehzahlsignalen, wie beispielsweise einer Drehzahl 3 eines Ausgangs eines Zahnräderwechsel-Getriebes und/oder eines Differenzialgetriebes, können nicht nur das Verdrehspiel des Antriebsstrangs als Ganzes (Gesamtverdrehspiel) sondern auch Teildrehspiel(e) (z. B. das Getriebespiel) im Vergleich zum Gesamtverdrehspiel gemessen bzw. ermittelt werden. Durch eine Abspeicherung auch von Teildrehspiel(en) in einem Steuergerät wird die Möglichkeit geschaffen, dass Verfahren zur Verhinderung oder Verkleinerung von Lastschlägen noch genauer beispielsweise den Verlauf der Momente steuern können, als dies auf Grundlage allein des Gesamtverdrehspiels der Fall ist.
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Da der Ausgleich des Gesamtverdrehspiels bei einem Übergang von einem Schub- auf einen Zugbetrieb normalerweise innerhalb eines vergleichsweise kurzen Zeitraums erfolgt, ist es in Bezug auf die Genauigkeit der Ermittlung des Gesamtverdrehspiels und/oder des/der Teildrehspiel(e) von Vorteil, wenn bei den zeitlich hoch aufgelösten Erfassungen der zeitliche Abstand zwischen zwei Erfassungen im Bereich von 1 ms bis 10 ms beträgt. Hierbei kann jeder geeignete Zeitabstand gewählt werden, beispielsweise ein Zeitabstand von 0,1 ms, 0,2 ms, 0,3, ms, 0,4 ms, 0,5 ms, 0,6 ms, 0,7 ms, 0,8 ms, 0,9 ms, 1 ms, 2 ms, 3 ms, 4 ms, 5 ms, 6 ms, 7 ms, 8 ms, 9 ms, 10 ms. Selbstverständlich können in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Zweck und der erforderlichen Genauigkeit auch kürzere oder längere Zeitabstände gewählt werden.
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Da die Größe des Gesamtverdrehspiels und/oder des/der Teildrehspiels/Teildrehspiele auch temperaturabhängig ist/sind oder sein kann/können, ist es von Vorteil, wenn zusätzlich eine Motortemperatur, eine Temperatur des Zahnräderwechsel-Getriebes, eine Temperatur eines Radlagers, und/oder eine Temperatur eines Reifens erfasst werden. Diese Aufzählung ist nicht abschließend; selbstverständlich können auch die Temperaturen von weiteren interessierenden Bauteilen erfindungsgemäß erfasst werden.
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Es können auch spezielle Fahrsituationen, beispielsweise eine Vollbremsung mit einer Temperaturerhöhung von Rädern und Lager, in die Spielbetrachtung miteinbezogen werden.
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Ähnliches gilt auch für den Radwinkel, da die Größe des Gesamtverdrehspiels und/oder des/der Teildrehspiels/Teildrehspiele auch hierdurch variieren kann. Somit kann beispielsweise auch das Spiel bei Lenkmanövern ermittelt werden.
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Die erfindungsgemäßen Verfahren haben weiter den Vorteil, dass das Verdrehspiel und/oder die Teildrehspiel(e) im normalen Fahrbetrieb automatisch ermittelt werden können. Die erfindungsgemäßen Verfahren können selbstverständlich auch in speziellen Fahrzyklen durchgeführt werden, wobei beispielsweise bestimmte Fahrsituationen vorgegeben und durchfahren werden. Auch können die erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise auf speziellen Prüfständen automatisiert oder automatisch durchgeführt werden. Auch kann vorgesehen sein, dass die einmal ermittelten Verdrehspiele und/oder Teildrehspiel(e) nach einer gewissen Fahrleistung des Fahrzeugs erneut überprüft werden, und gegebenenfalls geänderte Werte in einem Steuergerät hinterlegt werden.
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Durch die erfindungsgemäßen Verfahren können einmalig oder wiederholt das Gesamtverdrehspiel und/oder das/die Teildrehspiel(e) individuell für jedes Fahrzeug ermittelt werden. So können auch Bauteilstreuungen sowie eine Veränderung des Gesamtverdrehspiels und/oder des/der Teildrehspiels/Teildrehspiele während der Lebensdauer des Fahrzeugs aufgrund der erfolgten Lastwechsel im Antriebsstrang erfasst und das geänderte Gesamtverdrehspiel und/oder das/die geänderte(n) Teildrehspiel(e) gegebenenfalls in einem Steuergerät abgespeichert werden.
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Von besonderem Vorteil ist es, wenn das gemessene Gesamtverdrehspiel und/oder das/die gemessene(n) Teildrehspiel(e) gangabhängig, in Abhängigkeit von der Motortemperatur, der Temperatur des Zahnräderwechsel-Getriebes, der Temperatur eines Radlagers, der Temperatur eines Reifens, und/oder des Radwinkels in einem Kennfeld eines Steuergeräts abgespeichert wird/werden. Vor allem werden die im Steuergerät hinterlegten Antriebsstrangspiele (Gesamtverdrehspiel, Teildrehspiel(e)) für eine gezielte Vorsteuerung der Momente während eines Lastwechsels benötigt. Eine optimale Steuerung während des Spielausgleichs zur Verhinderung oder zur Verkleinerung von Lastschlägen ist nur möglich, wenn die Spiele möglichst genau bekannt sind, wobei insbesondere die Spiele im jeweiligen Gang von Bedeutung sind.
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Die Referenzdrehzahl wird im Wesentlichen ermittelt durch eine Multiplikation der Raddrehzahl mit einer Gesamtübersetzung, wobei die Gesamtübersetzung gebildet ist aus einer Multiplikation der Übersetzung des Zahnräderwechsel-Getriebes und der Übersetzung des Differenzialgetriebes. Aufgrund des Einflusses von Rädern mit unterschiedlichem dynamischem Abrollumfang (beispielsweise aufgrund von Reifenwechsel, geändertem Luftdruck in den Reifen) kann sich das Verhältnis von Raddrehzahl in Bezug auf die Motordrehzahl leicht verändern. Diese Unterschiede können leicht während einer Konstantfahrt ohne Lenkeinschlag und bei geschlossener Kupplung beim Betrieb des Fahrzeugs gemessen werden. Anhand der gemessenen Drehzahl an Rad und Motor kann ein adaptiver Korrekturfaktor zur Angleichung der Drehzahlen eingerechnet werden, derart, dass hierbei die Motordrehzahl gleich dem Produkt aus Drehzahl des wenigstens einen Rades x Gesamtübersetzung x adaptiver Korrekturfaktor ist. Auch dieser adaptive Korrekturfaktor kann in einer Steuereinrichtung abgespeichert werden.
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Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zum Erfassen eines Verdrehspiels eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs, umfassend eine Einrichtung zum Erfassen einer Motordrehzahl, eine Einrichtung zum Erfassen einer Drehzahl eines Rades, eine Einrichtung zum Berechnen einer Referenzdrehzahl, eine Einrichtung zum Berechnen einer Drehzahldifferenz zwischen der Motordrehzahl und der Referenzdrehzahl, eine Einrichtung zum Integrieren der Drehzahldifferenz über die Zeit oder zum Integrieren der Drehzahlen von Motor und des Rades über die Zeit, und eine Einrichtung zum Berechnen des Verdrehspiels des Antriebsstrangs aus dem Integral der Drehzahldifferenz oder der Differenz der Integrale der Drehzahlen von Motor und des Rades, wobei die Vorrichtung weiter dazu eingerichtet ist, eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen.
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Den Fachleuten sind Vorrichtungen und Einrichtungen sowie deren Zusammenwirken bekannt, soweit sie für die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet werden können bzw. für sie benötigt werden (Sensorik, Datenbussystem, Übertragungseinrichtung(en), Speichereinrichtung(en), Recheneinrichtung(en), Steuergerät(e), etc.), so dass vorliegend hierauf nicht näher eingegangen zu werden braucht.
